CN108382582A - 一种可实现扑固翼结构转换的机电装置及飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现扑固翼结构转换的机电装置及飞行器，包括驱动电机和控制系统，驱动电机通过传动装置驱动一个齿轮旋转，所述齿轮的通过两个曲柄驱动两个传动摇杆上下摆动，传动摇杆一端与所述的曲柄球面配合，另一端与滑动轴承球面配合，滑动轴承套设于机翼主翼梁；所述的机翼主翼梁与转动基座旋转配合，转动基座固定于机身主架上；在所述齿轮的端面上沿齿轮的圆周方向设有一圈滑槽，在所述的滑槽内设有配合孔，所述的控制系统控制固定轴与配合孔是否配合，用于在固定翼模式时，起到固定齿轮的作用。

Description

一种可实现扑固翼结构转换的机电装置及飞行器

技术领域

本发明属于仿生扑翼飞行器机电系统设计领域，涉及一种可实现扑固翼结构转换的机电装置及飞行器。

背景技术

自1932年美国西科斯基飞行器公司(Sikorsky Aircraft Corporation)所研制的世界上首架可实用旋翼机诞生以来，由于其具有垂直起降、空中悬停，以及良好机动性等优势，旋翼机在军用和民用领域得到了广泛应用，但也存在着飞行速度低、巡航里程短、噪声大，以及载重低等局限性。固定翼飞机虽然具有较高的巡航能力、较远的巡航里程，以及较大的载重量，但是其却不具备空中悬停能力，且需要修建专用的起降跑道，进而不仅增加了使用成本，更极大地限制了其应用领域。二战结束后的五六十年代，各国空军对战机垂直起降能力的需求虽然没有战时迫切，但各种预研垂直起降战机概念仍然层出不穷，除传统直升机以外，先后研发了基于旋翼、螺旋桨、涵道风扇、喷气动力等共四大类组合方式、十五种构型方案、四十五种型号成功试飞的垂直起降飞行器，但从仿生角度进行研发的扑翼和固定翼配合方式的飞行器构型方案依然没有成型。

根据大型飞鸟的飞翔过程，其一般分为起飞、巡航和降落3个阶段。其中起飞阶段和降落阶段，其翅膀运动特点表现为扑翼模式，即绕与飞行方向相同的拍打轴的角度扑动，优点在于借助扑翼系统用很小的能量完成举升、降落等运动模式，且非常适用于小场地起飞和降落；巡航阶段，其扑翼频率较小，翅膀运动特点一般表现为滑翔模式，即翅膀与飞行方向相同的拍打轴所成的角度基本不变，定义该角度为0°，翅膀姿态为平展状态，翼展面积达到最大，其运动姿态类似于固定翼模式，其优点在于飞行高效、运载能力强。

当前国内外针对大型飞鸟全飞行模式机制进行机构仿生的研究偏少，仅有的混合运动式仿生飞行器结构多为扑旋翼模式，即扑翼和旋翼相配合，该类飞行器仿生对象为飞虫和小型飞鸟，不适合用于对大型飞鸟的仿生研究。因此亟需设计一种扑固翼运动模式的飞行器，实现扑翼起飞、固定翼平飞和扑翼降落，以达到在小场地、复杂条件下快速起降，摆脱对专用起降跑道的依赖，同时在飞行阶段又兼具固定翼飞机的优势，效率高，巡航速度快以及载重大。扑固翼飞行器设计中，如何实现扑翼飞行模式和固定翼飞行模式间的平稳、准确转换是一个关键问题。

发明内容

本发明公开了一种可实现扑固翼结构转换的机电装置及飞行器，它针对如何实现扑固翼飞行器中扑翼飞行和固定翼飞行模式间平稳、准确转换的问题，提出了“扑翼驱动电机控制模块”与“固定轴孔配合模块”相配合的方案。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种可实现扑固翼结构转换的机电装置，包括驱动电机和控制系统，所述的驱动电机通过传动装置驱动一个齿轮旋转，所述齿轮的通过两个曲柄驱动两个传动摇杆上下摆动，所述的传动摇杆一端与所述的曲柄球面配合，另一端与滑动轴承球面配合，所述的滑动轴承套设于机翼主翼梁；所述的机翼主翼梁与转动基座旋转配合，转动基座固定于机身主架上；在所述齿轮的端面上沿齿轮的圆周方向设有一圈滑槽，在所述的滑槽内设有配合孔，所述控制系统与固定轴相连；所述的控制系统控制驱动电机以及固定轴与配合孔之间的配合，实现固定翼模式和扑翼模式之间的转换。

进一步的，所述的固定轴包括两个，每个固定轴包括两个呈一定角度连接的连杆I和连杆II，连杆I、连杆II的一端连接后的连接点设有一个连接轴，该连接轴与配合孔配合；而连杆I、连杆II的另一端分别通过转轴与步进电机相连。

进一步的，两个所述的固定轴对称的分布在齿轮两侧。

进一步的，两个所述的曲柄安装在所述齿轮的中心轴两端，中心轴驱动两个所述的曲柄旋转。

进一步的，两个所述的传动摇杆的结构完全相同。

进一步的，所述的传动摇杆的一端呈V型设置，另一端是与曲柄连接的第一球面轴承，传动摇杆V型端部的两侧均设置与机翼主翼梁连接的第二球面轴承；所述传动摇杆V型端部两侧的第二球面轴承内设置滚动球；所述滚动球通过固定轴与滑动轴承连接，滑动轴承与所述的机翼主翼梁旋转配合。

进一步的，所述传动摇杆V型端部两侧夹角在45°-80°之间。

进一步的，所述的滑槽与所述的齿轮的中心线重合；所述的配合孔包括两个，分别分布在所述齿轮端面直径的两端，两配合孔所成直线与曲柄中轴线成90°，能够保证飞行器扑翼模式和固定翼模式在齿轮运转的半个周期左右实现转换。

进一步的，所述的控制系统包括一个控制器，所述的控制器包括扑翼驱动电机控制模块、状态校验模块、固定轴孔配合控制模块；其中所述的扑翼驱动电机控制模块用软件算法编程实现，控制驱动电机的旋转；

所述的固定轴孔配合控制模块控制所述的步进电机，所述的步进电机通过传动装置控制三角式固定轴旋转角度，进而实现对齿轮两侧的两个固定轴间的连接轴距离；

所述的状态校验模块包含两个传感器，其中一个传感器用于检测驱动电机工作状态，另一个传感器用于检测固定轴孔配合状态，即转轴的旋转角度；两个传感器将检测的信号发送给所述的控制器，所述的控制器控制驱动电机和步进电机旋转。

一种飞行器，包括前面所述的扑固翼结构转换的机电装置。

具体的工作原理如下：

驱动电机驱动齿轮作周转运动，齿轮通过曲柄带动传动摇杆摆动，传动摇杆通过滑动轴承带动机翼主翼梁绕转动基座上下扑动。

当控制系统接收到固定翼转换为扑翼模式信号时，固定轴孔配合控制模块首先通过控制步进电机旋转，从固定角变化至初始角，来取消固定轴与配合孔的配合；然后“状态校验模块”检测孔轴是否成功释放配合，如果释放成功，“扑翼驱动电机控制模块”迅速启动驱动电机，以带动机翼上下扑动，完成转换；如果释放不成功，控制信号返回至“固定轴孔配合控制模块”，按原有流程继续操作，直至孔轴释放配合成功。

当控制系统接收到扑翼转换为固定翼模式信号时，“状态校验模块”检测驱动电机转速，当驱动电机转速大于设定阈值，“扑翼驱动电机控制模块”使驱动电机减速至小于设定阈值，然后直接进行下一步“固定轴孔配合控制模块”操作；“固定轴孔配合控制模块”首先通过控制初始角变化至固定角，来促使固定轴与配合孔的配合，以达到锁定齿轮的目的；然后“状态校验模块”检测孔轴是否成功配合，如果配合成功，齿轮锁定成功，“扑翼驱动电机控制模块”促使驱动电机迅速停止运转，完成转换；如果配合不成功，控制信号返回至“固定轴孔配合控制模块”，按原有流程继续操作，直至孔轴配合成功。

本发明的有益效果是：

该方案以平稳、准确地实现飞行器机翼在不同扑打速度下扑翼飞行与固定翼飞行模式间的自由切换，同时有效降低扑翼速度过高状态下，扑翼飞行转换为固定翼飞行对飞行器机械部件的损伤，具有准确性高、适应性强、机械损伤小的有益效果。

附图说明

图1是本发明的扑固翼飞行器扑翼模式下的机构轴测图；

图2是本发明的扑固翼飞行器固定翼模式下的机构轴测图；

图3是本发明的控制系统内部控制系统模块原理图；

图4是本发明的三角式固定轴轴测图；

图5是本发明的扑翼模式下齿轮、曲柄和配合孔之间的装配关系示意图；

图6是本发明的固定翼模式下齿轮、曲柄和配合孔之间的装配关系示意图；

图7是传动摇杆的结构示意图；

图8是三角式固定轴与步进电机连接放大图；

图9是三角式固定轴与步进电机连接整体结构图；

图10是三角式固定轴与控制系统之间呈初始角时的连接图；

图11是三角式固定轴与控制系统之间呈固定角时的连接图；

图中：1-机身主架；2-齿轮；3-驱动电机；4A、4B-曲柄；5A、5B-传动摇杆；5A1-摇杆；5A2-球面轴承Ⅰ；5A3-球面轴承Ⅱ；5A4-球面轴承Ⅲ；5A5-滚动球Ⅰ；5A6-滚动球Ⅱ；5A7-固定轴Ⅰ；5A8-固定轴Ⅱ；5A9-滑动轴承；6A、6B-机翼主翼梁；7A、7B-滑动轴承；8A、8B-转动基座；9-控制系统；10-三角式固定轴；11A、11B-配合孔，12-步进电机。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，当前国内外针对大型飞鸟全飞行模式机制进行机构仿生的研究偏少，仅有的混合运动式仿生飞行器结构多为扑旋翼模式，即扑翼和旋翼相配合，该类飞行器仿生对象为飞虫和小型飞鸟，不适合用于对大型飞鸟的仿生研究。因此亟需设计一种扑固翼运动模式的飞行器，实现扑翼起飞、固定翼平飞和扑翼降落，以达到在小场地、复杂条件下快速起降，摆脱对专用起降跑道的依赖，同时在飞行阶段又兼具固定翼飞机的优势，效率高，巡航速度快以及载重大。扑固翼飞行器设计中，如何实现扑翼飞行模式和固定翼飞行模式间的平稳、准确转换是一个关键问题。

如图1-7所示，本发明公开了一种可实现扑固翼结构转换的机电装置及飞行器，可实现扑固翼结构转换的机电装置，包括驱动电机3，所述的驱动电机3驱动一个小齿轮旋转，所述的小齿轮与一个齿轮2啮合，进而实现齿轮2的旋转；齿轮2通过两个曲柄4A、4B驱动两个传动摇杆5A、5B上下摆动，所述的传动摇杆5A、5B一端与所述的曲柄4A、4B连接，另一端与滑动轴承球面配合，所述的滑动轴承套设于机翼主翼梁6A、6B；所述的机翼主翼梁6A、6B与转动基座8A、8B旋转配合，转动基座8A、8B固定于机身主架1上；在所述齿轮的端面上沿齿轮的圆周方向设有一圈滑槽，在所述的滑槽内设有配合孔11A、11B，所述的控制系统通过控制系统内部的“固定轴孔配合控制模块”控制固定轴10与配合孔11A、11B的配合，起到锁定齿轮的作用。

固定轴10包括两个，每个固定轴包括两个呈一定角度连接的连杆I和连杆II，连杆I、连杆II的一端连接后的连接点设有一个连接轴，该连接轴与配合孔配合；而连杆I、连杆II的另一端分别通过转轴与步进电机相连；两个所述的固定轴对称的分布在齿轮2两侧。

进一步的，两个所述的曲柄4A、4B安装在所述齿轮的中心轴两端，中心轴驱动两个所述的曲柄4A、4B旋转；曲柄4A、4B的结构完全相同，以实现两个传动摇杆5A、5B的同步运动。

进一步的，两个所述的传动摇杆5A、5B的结构安全相同。以传动摇杆5A为例，配合图7对该结构进行详细说明：所述的传动摇杆5A包括摇杆5A1，摇杆5A1的一端呈V型设置，另一端是与曲柄连接的球面轴承I5A2，传动摇杆V型端部的两侧均设置与机翼主翼梁连接的球面轴承II5A3、球面轴承III5A4；所述传动摇杆V型端部两侧的球面轴承II5A3、球面轴承III5A4内设置滚动球I5A5、滚动球Ⅱ5A6；所述滚动球I5A5、滚动球Ⅱ5A6通过固定轴I 5A7、固定轴Ⅱ5A8与滑动轴承5A9连接，滑动轴承5A9与所述的机翼主翼梁旋转配合。该传动部件通过Y型传动摇杆代替现有的“一”字型传动部件，Y型传动摇杆分别从传动摇杆V型端部两侧对机翼主翼梁6A、6B施加作用力，这样机翼主翼梁6A、6B两侧受力更加稳定、均匀，降低对机翼主翼梁6A、6B的损伤，延长机翼主翼梁6A、6B的使用寿命，而且，传动摇杆的V型端部的两侧所成平面与底部球面轴承同面设置。

传动摇杆的V型端部两侧的球面轴承Ⅱ5A3、球面轴承Ⅲ5A4内设置滚动球Ⅰ5A5、滚动球Ⅱ5A6，这两个滚动球分别通过固定轴Ⅰ5A7、固定轴Ⅱ5A8与滑动轴承5A9连接，而且两个滚动球Ⅰ5A5、滚动球Ⅱ5A6分别与相应的球面轴承球面配合，以转动轴轴线为法线，相交点为轴线中点的平面，与机身主架1轴线共面。

进一步的，所述传动摇杆V型端部两侧夹角在45°-80°之间。

滑槽与所述的齿轮2的中心线重合；配合孔11A、11B，如图6所示，配合孔11A、11B分布在齿轮圆面直径的两端顶点，两配合孔所成直线与曲柄成90°，能够保证扑翼飞行器扑翼模式和固定翼模式的转换。

控制系统9包括一个箱体，在所述的箱体内部设有一个控制器，所述的控制器包括三个控制模块，分别是扑翼驱动电机控制模块、状态校验模块、固定轴孔配合控制模块；

其中所述的扑翼驱动电机控制模块用软件算法编程实现，控制电机的旋转；

所述的固定轴孔配合控制模块控制所述的步进电机12，所述的步进电机12通过传动装置控制三角式固定轴旋转角度，进而实现对齿轮两侧的两个固定轴间的连接轴距离。具体执行方式由固定轴绕着箱体下方的转轴转动实现，初始角度为0°，定义该角为初始角(如图10所示)，此时固定轴和孔不配合；配合状态时，角度为滑槽深度值除以固定轴整体长度值的反正切值，定义该角为固定角(如图11所示)。

所述的状态校验模块包含两个传感器，其中一个传感器用于检测驱动电机工作状态，另一个传感器用于检测固定轴孔配合状态，即转轴的旋转角度；两个传感器将检测的信号发送给控制器，所述的控制器控制驱动电机和步进电机旋转。

其中，步进电机12安装在控制系统与三角式固定轴的连接点处，可以驱动三角式固定轴绕控制系统的箱体转动；

进一步的优选的，每个三角式固定轴步进电机12安装数量至少为1个，至多为2个；当步进电机为1时，通过一套传动装置同时驱动三角式固定轴的连杆I和连杆II转动；当步进电机为2时，两个步进电机各自通过一个传动装置驱动连杆I和连杆II转动；本发明中总的步进电机安装数量至少为2个，至多为4个，视飞行器重量而定，各步进电机协同工作。

三角式固定轴10，包括两个呈一定角度连接的连杆I和连杆II，连杆I、连杆II的一端连接后的连接点设有一个连接轴，该连接轴与配合孔配合；而连杆I、连杆II的另一端通过转轴与控制系统相连。

三角式固定轴10的连接轴可与配合孔配合，且连接轴直径与配合孔直径相等，达到固定齿轮的作用，三角式固定轴10的连杆I、连杆II两顶点的旋转通过步进电机控制，具体的见图8和图9；齿轮2的端面上分布着圆周滑槽，圆周滑槽宽度与配合孔直径相等，保证三角式固定轴轴头沿着滑槽滑动；三角式固定轴两轴头的距离与齿轮厚度相同，轴头顶点夹角为60°。

起飞阶段，飞行器运动模式为扑翼模式，驱动电机驱动齿轮作周转运动，齿轮通过曲柄带动传动摇杆摆动，传动摇杆通过滑动轴承带动机翼主翼梁绕转动基座上下扑动；此时三角式固定轴悬空，不与齿轮面上的滑槽接触，齿轮作正常周转运动。

巡航阶段，控制系统接收到的信号为扑翼转换为固定翼模式信号，“状态校验模块”检测驱动电机转速，当驱动电机转速大于设定阈值，“扑翼驱动电机控制模块”使驱动电机减速至小于设定阈值，然后直接进行下一步“固定轴孔配合控制模块”操作；“固定轴孔配合控制模块”首先通过控制初始角变化至固定角，具体执行方式为三角式固定轴底部绕控制系统旋转至三角式固定轴轴头能够沿着齿轮面上的圆周滑槽滑动，此时轴孔开始配合；然后“状态校验模块”检测孔轴是否成功配合，如果配合成功，如图2和6所示，当齿轮运动至所示位置时，飞行器机翼为平展模式，轴孔配合成功，达到锁定齿轮的目的。“扑翼驱动电机控制模块”促使驱动电机迅速停止运转，完成转换；如果配合不成功，控制信号返回至“固定轴孔配合控制模块”，按原有流程继续操作，直至孔轴配合成功。

降落阶段，控制系统接收到的信号为固定翼转换为扑翼模式信号，“固定轴孔配合控制模块”首先通过控制固定角变化至初始角，来取消固定轴与配合孔的配合，具体执行方式为三角式固定轴底端绕着控制系统转动至三角式固定轴两连接轴轴头距离与齿轮厚度相同，以此来取消固定轴与配合孔的配合，然后“状态校验模块”检测孔轴是否成功释放配合，如果释放成功，“扑翼驱动电机控制模块”迅速启动驱动电机，驱动电机小齿轮与齿轮作啮合运动，齿轮带动曲柄作圆周周转运动，进而带动传动摇杆摆动，传动摇杆通过滑动轴承带动机翼主翼梁绕转动基座上下扑动，完成转换；如果释放不成功，控制信号返回至“固定轴孔配合控制模块”，按原有流程继续操作，直至孔轴释放配合成功。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可实现扑固翼结构转换的机电装置，其特征在于，包括驱动电机和控制系统，所述的驱动电机通过传动装置驱动一个齿轮旋转，所述齿轮的通过两个曲柄驱动两个传动摇杆上下摆动，所述的传动摇杆一端与所述的曲柄球面配合，另一端与滑动轴承球面配合，所述的滑动轴承套设于机翼主翼梁；所述的机翼主翼梁与转动基座旋转配合，转动基座固定于机身主架上；在所述齿轮的端面上沿齿轮的圆周方向设有一圈滑槽，在所述的滑槽内设有配合孔，所述控制系统与固定轴相连；所述的控制系统控制驱动电机以及固定轴与配合孔之间的配合，实现固定翼模式和扑翼模式之间的转换。

2.如权利要求1所述的一种可实现扑固翼结构转换的机电装置，其特征在于，所述的固定轴包括两个，每个固定轴包括两个呈一定角度连接的连杆I和连杆II，连杆I、连杆II的一端连接后的连接点设有一个连接轴，该连接轴与配合孔配合；而连杆I、连杆II的另一端分别通过转轴与步进电机相连。

3.如权利要求2所述的一种可实现扑固翼结构转换的机电装置，其特征在于，两个所述的固定轴对称的分布在齿轮两侧。

4.如权利要求1所述的一种可实现扑固翼结构转换的机电装置，其特征在于，两个所述的曲柄安装在所述齿轮的中心轴两端，中心轴驱动两个所述的曲柄旋转。

5.如权利要求1所述的一种可实现扑固翼结构转换的机电装置，其特征在于，两个所述的传动摇杆的结构完全相同。

6.如权利要求5所述的一种可实现扑固翼结构转换的机电装置，其特征在于，所述的传动摇杆的一端呈V型设置，另一端是与曲柄连接的第一球面轴承，传动摇杆V型端部的两侧均设置与机翼主翼梁连接的第二球面轴承；所述传动摇杆V型端部两侧的第二球面轴承内设置滚动球；所述滚动球通过固定轴与滑动轴承连接，滑动轴承与所述的机翼主翼梁旋转配合。

7.如权利要求6所述的一种可实现扑固翼结构转换的机电装置，其特征在于，所述传动摇杆V型端部两侧夹角在45°-80°之间。

8.如权利要求1所述的一种可实现扑固翼结构转换的机电装置，其特征在于，所述的滑槽与所述的齿轮的中心线重合；所述的配合孔包括两个，分别分布在所述齿轮端面直径的两端，两配合孔所成直线与曲柄成90°，能够保证扑翼飞行器扑翼模式和固定翼模式的转换。

9.如权利要求2所述的一种可实现扑固翼结构转换的机电装置，其特征在于，所述的控制系统包括一个控制器，所述的控制器包括扑翼驱动电机控制模块、状态校验模块、固定轴孔配合控制模块；其中所述的扑翼驱动电机控制模块用软件算法编程实现，控制驱动电机的旋转；

所述的固定轴孔配合控制模块控制所述的步进电机，所述的步进电机通过传动装置控制固定轴旋转角度，进而实现对齿轮两侧的两个固定轴间的连接轴距离；

所述的状态校验模块包含两个传感器，其中一个传感器用于检测驱动电机工作状态，另一个传感器用于检测固定轴孔配合状态，即转轴的旋转角度；两个传感器将检测的信号发送给控制器，所述的控制器控制驱动电机和步进电机旋转。

10.一种飞行器，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的扑固翼结构转换的机电装置。